[논문 리뷰] Multi-wavelength observations of 3FGL J2039.6-5618: a candidate redback millisecond pulsar

D. Salvetti, R. Mignani외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 24.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 1

한 줄 요약

논문은 다파장 관측을 통해 3FGL J2039.6−5618을 후보 레드백 밀리초 펄서로 규명하였으며, 주기적인 X선 및 광학 변동원천(주기 ≈0.225 d)을 검출하였고, 이는 双봉 광도곡선과 멱법칙 형태의 X선 스펙트럼(ΓX = 1.36 ± 0.09)을 보였다. 이 원천의 성질, 특히 감지 가능한 라디오 방출의 부재와 궤도 모odulation의 부재는 레드백 시스템으로서의 분류를 강력히 지지하며, 이는 낮은 질량을 가진 동반 항성과 밀접한 이중성에서 중성자별을 수반할 가능성이 높다.

ABSTRACT

We present multi-wavelength observations of the unassociated gamma-ray source 3FGL J2039.6-5618 detected by the Fermi Large Area Telescope. The source gamma-ray properties suggest that it is a pulsar, most likely a millisecond pulsar, for which neither radio nor $\gamma$-ray pulsations have been detected yet. We observed 3FGL J2039.6-5618 with XMM-Newton and discovered several candidate X-ray counterparts within/close to the gamma-ray error box. The brightest of these X-ray sources is variable with a period of 0.2245$\pm$0.0081 d. Its X-ray spectrum can be described by a power law with photon index $\Gamma_X =1.36\pm0.09$, and hydrogen column density $N_{ m H} < 4 imes 10^{20}$ cm$^{-2}$, which gives an unabsorbed 0.3--10 keV X-ray flux of $1.02 imes 10^{-13}$ erg cm$^{-2}$ s$^{-1}$. Observations with the Gamma-Ray Burst Optical/Near-Infrared Detector (GROND) discovered an optical counterpart to this X-ray source, with a time-average magnitude $g'\sim 19.5$. The counterpart features a flux modulation with a period of 0.22748$\pm$0.00043 d that coincides, within the errors, with that of the X-ray source, confirming the association based on the positional coincidence. We interpret the observed X-ray/optical periodicity as the orbital period of a close binary system where one of the two members is a neutron star. The light curve profile of the companion star, with two asymmetric peaks, suggests that the optical emission comes from two regions at different temperatures on its tidally-distorted surface. Based upon its X-ray and optical properties, we consider this source as the most likely X-ray counterpart to 3FGL J2039.6-5618, which we propose to be a new redback system.

연구 동기 및 목표

• 3FGL J2039.6−5618의 비연결된 페르미-LAT γ선 원천의 본질을 규명하고자 하였다. 이 원천은 약 ~25σ의 검출 유의도에도 불구하고 여전히 연결되지 않은 상태였다.
• γ선 오차 박스 내에서 X선 및 광학 대응원천을 검색하여 원천의 성질을 제약하고자 하였다.
• 다파장 주기성 및 스펙트럼 성질을 바탕으로 이 원천이 이중 밀리초 펄서, 특히 레드백 시스템인지 여부를 규명하고자 하였다.
• 광학 및 X선 광도곡선를 통해 궤도 파rameter를 측정하여 γ선 펄세이션을 탐지할 잠재력을 평가하고자 하였다.

제안 방법

• 3FGL J2039.6−5618 오차 박스 내에서 X선 대응원천을 탐지하고 특성화하기 위해 XMM-Newton X선 관측을 수행하였다.
• X선 광도곡선을 분석하여 주기적 변동성을 식별하고, 궤도 주기를 유도하기 위해 조화 모델을 적합시켰다.
• GROND를 사용하여 다중 대역 광학 광도측정을 수행하여 광학 대응원천을 식별하고, 그 광도 조절 주기를 측정하였다.
• X선 스펙트럼을 멱법칙 모델로 적합시켜 광자 지수(ΓX = 1.36 ± 0.09)와 수소 열두께(NH < 4 × 10²⁰ cm⁻²)의 상한선을 유도하였다.
• 광학 광도곡선을 두 성분의 온도 모델로 모델링하여, 비대칭 이중봉 프로파일을 설명하고, 중성자별의 입자 풍을 통한 조명을 가정하였다.
• X선과 광학의 위치 일치성과 주기 일관성을 이용하여 X선 원천이 광학 대응원천과의 연관성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3FGL J2039.6−5618은 이중 밀리초 펄서인가? 만약 그렇다면, 레드백 또는 블랙위드와 같은 어떤 유형에 속하는가?
• RQ2 이 시스템의 궤도 주기는 얼마이며, 관측된 X선 및 광학 광도곡선의 주기적 변동성과 일치하는가?
• RQ3 비대칭 이중봉 광학 광도곡선의 원인은 무엇이며, 중성자별에서 오는 조명을 통해 설명될 수 있는가?
• RQ4 감지 가능한 라디오 방출의 부재는, 레드백 시스템에서 예상되는 바와 같이 부분적으로 침식된 동반성의 존재를 지지하는가?
• RQ5 X선 및 광학 데이터는 시스템의 거리 및 내재 성질을 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 3FGL J2039.6−5618 오차 박자 내에서 주기 0.2245 ± 0.0081 d로 주기적 변동을 보이는 밝은 X선 원천(원천 3)이 탐지되었다.
• X선 스펙트럼은 멱법칙으로 잘 기술되며, 광자 지수 ΓX = 1.36 ± 0.09 이고, 수소 열두께(NH < 4 × 10²⁰ cm⁻²)에 상한선이 있다. 이는 낮은 흡수와 함께 거리가 1 kpc 미만일 가능성이 높음을 시사한다.
• 시간 평균 magnitude g′ ∼19.5인 광학 대응원천이 식별되었으며, 주기 0.22748 ± 0.00043 d로 광도 조절이 관측되어 X선 주기와 오차 범위 내에서 일치한다.
• 광학 광도곡선은 약 0.3의 위상 간격으로 분리된 비대칭 이중봉을 보이며, 중성자별에서 오는 입자 풍을 통한 조명 및 가열을 시사한다.
• 궤도 주기, 이중봉 광도곡선, 감지 가능한 라디오 방출의 부재 등 시스템의 성질은 레드백 밀리초 펄서로의 분류를 강력히 지지한다.
• 이 원천은 3FGL J2039.6−5618의 가장 가능성 높은 X선 대응원천으로 제안되며, 반경 속도 곡선을 확인하고 γ선 펄세이션를 복원하기 위해 광학 스펙트럼 측정이 필요하다.